伍亞琴，雷 軍,，王先厚

（1. 江漢大學 湖北省化學研究院，湖北 武漢 430074；2. 華爍科技股份有限公司，湖北 武漢 430074）

硫普遍存在于石油、 天然氣等化石燃料中，而這些化石燃料的直接燃燒會產(chǎn)生SOx等物質(zhì)[1]。SO2是細顆粒物（Particulate matter，PM2.5）的主要前體，排放到空氣中會嚴重污染環(huán)境[2]、腐蝕建筑；在工業(yè)應用中，硫化物還會使催化劑中毒，影響設備器材的使用壽命，帶來不可忽視的直接或間接經(jīng)濟損失。 隨著環(huán)境保護法的日益嚴格， 對硫化物脫除深度的要求也越來越高[3]。 傳統(tǒng)的加氫脫硫（Hydro-desulfurization，HDS）技術(shù)通過使用CoMo或NiMo催化劑對含硫有機化合物進行催化加氫[4,5]，能有效去除硫醇、硫化物、二硫化物， 但對二苯并噻吩（Dibenzothiophene，DBT）及其衍生物，由于空間位阻的原因，脫除效果不理想[6]。 為了達到深度脫硫的標準，需要更高的氫氣壓力或溫度，增加操作成本[7,8]。 因此有研究者開發(fā)出了其他可替代的或互補的脫硫方法， 包括離子液體萃取脫硫[9,10]、選擇性吸附脫硫[11,12]、氧化脫硫（Oxidative desulfurization，OD）[13,14]及生物脫硫（Biodesulfurization，BDS）[15,16]。 相較于其他脫硫技術(shù)，生物脫硫能降低操作成本，且可以產(chǎn)生有工業(yè)應用價值的副產(chǎn)品羥基聯(lián)苯及其衍生物，因此吸引了各國研究者的廣泛關(guān)注。 本文對生物脫硫技術(shù)的機理、途徑、主要脫硫菌種以及生物脫硫技術(shù)的工業(yè)應用進行了綜述。

1 生物脫硫技術(shù)的機理及途徑

生物脫硫（BDS）是一項基于微生物體自身生理代謝的技術(shù)， 其通過細菌捕捉吸附特定的硫化合物，這些硫化合物進入細菌體內(nèi)后，被細菌利用、代謝，以滿足自身生長的營養(yǎng)需求[17]。硫化合物最終以硫酸鹽形式進入水相，從而達到減少油相中硫化物的含量，實現(xiàn)硫化物脫除的目的。 此工藝在常溫常壓下即可進行，無需特殊苛刻的反應條件。 本文以DBT為模型化合物對BDS的機理過程、 所用細菌及應用研究進行了總結(jié)。

1.1 C-C鍵氧化裂解

DBT的C-C裂解被稱為“Kodama途徑”，由Dox酶催化降解DBT，經(jīng)羥基化、羧基化后，最終代謝為3-羥基-2-甲酰基苯并噻吩（HFBT），具體過程如圖1所示。 經(jīng)此途徑脫硫的有革蘭氏陰性細菌，如假單胞菌菌株、根瘤菌、伯克霍爾德菌DBT1、多環(huán)芳香桿菌Xhantobacter 127W、貝氏菌屬、鞘氨醇單胞菌等。 由于Kodama途徑破壞了DBT的碳骨架，燃料的熱值受到了損失，幾乎沒有工業(yè)應用價值[18]。

1.2 C-S鍵還原裂解

這一途徑跟傳統(tǒng)的HDS工藝很相似， 是DBT在還原菌的生理代謝作用下，斷裂C-S鍵，轉(zhuǎn)化成聯(lián)苯和H2S，DBT的碳骨架得以保留， 具體過程如圖2所示。 此過程基本沒有氧的存在，所以能在一定程度上避免原料中烴類物質(zhì)氧化變質(zhì)，生產(chǎn)出的原料油品質(zhì)量較高。 但利用此途徑脫硫的菌株，脫硫效率不高，難以實現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化。

1.3 C-S鍵氧化裂解

C-S鍵氧化裂解機理如圖3所示。 此途徑可分為三個階段：（1）通過氧化硫部分使噻吩環(huán)活化裂解；（2）裂解噻吩環(huán)得到芳族硫酸酯；（3）除去亞磺酸鹽基。 利用此途徑的大多是革蘭氏陽性放線菌。 以紅球菌（Rhodococcus erythropolis）為代表，在DszA、DszB、DszC和DszD四種酶的作用下，脫除DBT中的-S-而不破壞燃料的熱值，稱為“4S途徑”[19]。 DszA和DszC是黃素依賴性單加氧酶， 可氧化DBT中的硫；DszD是為其提供FMNH2的黃素還原酶；DszB是脫硫酶，催化DBT碳骨架中SO2的脫除，以完成脫硫反應[20]。 有研究表明[21]DszD的過表達可以提高紅球菌的脫硫效率，Kamali等[22]揭示了DszD序列第62位（蘇氨酸）中殘基在酶活性中的關(guān)鍵作用，使通過誘變殘基來提高生物脫硫效率成為可能。

2 生物脫硫用細菌

硫氧化菌（Sulfur-oxidizing bacteria，SOB）可以將元素硫氧化或?qū)⒘蚧镞€原為硫酸鹽，是化學自養(yǎng)型細菌，其利用CO2作為碳源和一些含硫化合物（例如S2O32-，S2-和S0）作為細胞生長的能源[23]，常見的有綠硫細菌（Green sulfur bacteria，GSB）、紫硫細菌（Purple sulfur bacteria，PSB）、紫色非硫細菌（Purple nonsulfur bacteria，PNSB）和無色硫細菌（Colorless sulfur bacteria，CSB）。圖4為利用16S rRNA 基因序列確定的原核生物物種間的親緣關(guān)系構(gòu)建的SOB系統(tǒng)發(fā)育樹[24]。

2.1 綠硫細菌

GSB是一種能夠在無氧、 富硫且光照條件極低的環(huán)境下生長的專性厭氧菌，有球形、卵形、弧菌形[25]。 其能夠利用稱為綠體的觸角復合物進行光合作用， 主要集光系統(tǒng)是脂質(zhì)體， 由細菌葉綠素（Bacterial chlorophyll, BChL）c、d或e低聚物組成，綠硫細菌的反應中心（Reaction center，RC）是鐵-硫（FeS）型RC，其中鐵-硫簇充當電子受體[26,27]，通過利用CO2，將H2S氧化為硫單質(zhì)，并將產(chǎn)生的硫從胞體中排出，反應式見式(1)[28]。

2.2 紫硫細菌

PSB的光異養(yǎng)能力有限，主要是自養(yǎng)厭氧型，使用還原的硫化物作為電子供體來還原無機碳，常生長于污水、炎熱、寒冷、堿性和高鹽度等極端環(huán)境下的含硫水域中，有桿狀、球形、卵形、弧菌形。 PSB對自然界的硫循環(huán)有重要意義[29]，其代謝硫化物的過程與GSB略有區(qū)別，PSB在將H2S氧化為S0的同時，也進行著S0轉(zhuǎn)化為SO42-的過程， 且產(chǎn)生的硫蓄積在胞內(nèi)，反應過程如式(2)、式(3)所示。

2.3 紫色非硫細菌

PNSB是產(chǎn)氧細菌，屬于門氏桿菌，其生長代謝方式根據(jù)其所在的生活環(huán)境中可利用的營養(yǎng)素類型以及是否存在氧氣、 光照等條件而有所不同，在厭氧或微需氧光照條件下為光合自養(yǎng)和光異養(yǎng)，在厭氧或需氧黑暗條件下生長為趨化營養(yǎng)菌[30]。 具體可分為α 和β 兩類，α 類有Rhodobactersp、Rhodopseudomonassp 等，β 類有Rhodocyclussp、Rhodoferaxsp、Rubrivivaxsp等[31]。 在光合作用過程中，硫化物、氫或有機物被用作電子供體[32]。PNSB的色素結(jié)構(gòu)與其他光合作用細菌不同，其集中在光合細胞膜的光收集中心周圍[33]，其主要代謝硫化物的過程如下：

2.4 無色硫細菌

CSB具有化學營養(yǎng)性， 以還原的硫化合物作為電子給體， 氧作為電子受體， 根據(jù)CSB利用的能源或碳源可分為四類[34-36]：1）專性化能營養(yǎng)型（Obligate chemolithotrophs），通過無機硫化合物的氧化來獲得代謝能， 以無機碳為碳源；2） 兼性化能營養(yǎng)型（Facultative chemolithotrophs）， 以無機硫化合物為能源， 同時以無機碳或有機物為碳源進行生長；3）化能異構(gòu)營養(yǎng)型（Chemolithoheterotrophs），通過氧化硫化物而產(chǎn)生能量， 但依靠有機物來形成碳；4）化學有機異養(yǎng)型（Chemoorganoheterotrophs），主要是異養(yǎng)菌，通過減少代謝產(chǎn)生的過氧化氫來氧化硫。其利用硫化物主要有以下過程：

3 生物脫硫的應用研究

Zhang等[37]討論了不同類別的表面活性劑對生物脫硫效率的影響，以貴州省六盤水礦區(qū)的煤為實驗對象，柱浸脫硫系統(tǒng)采用微生物脫硫處理階段間歇浸出法，用酸性嗜酸芽孢桿菌和酸性嗜酸桿菌硫氧化物的混合培養(yǎng)物對煤進行脫硫，并使用了陰離子表面活性劑（SDS）、陽離子表面活性劑（DTAB）和非離子表面活性劑（吐溫20）。 用Eschka法檢測總硫含量以計算生物脫硫效率，發(fā)現(xiàn)添加吐溫20的實驗組脫硫率最高，表明在生物脫硫過程中添加適當?shù)谋砻婊钚詣┛梢栽鰪娂毦c煤粒的接觸，以提高生物脫硫的效率。

Hu等[38]研究了不同的吐溫表面活性劑對地面輪胎橡膠（GTR）生物脫硫的影響，使用三種非離子表面活性劑（吐溫20、吐溫60和吐溫80）來改善親脂性GTR與親水性微生物之間的親和力。 通過測量脫硫GTR的脫硫深度、溶脹值和硫含量來評估脫硫效果， 同時測量了脫硫的地面輪胎橡膠/丁苯橡膠（DGTR/SBR）復合材料的物理性能。結(jié)果表明，這些吐溫表面活性劑均可有效提高鞘氨醇單胞菌屬和GTR之間的親和力，從而提高生物脫硫效率和改善復合材料的性能。 其中吐溫20對增強鞘氨醇單胞菌的脫硫效果最佳，經(jīng)脫硫處理后的橡膠表面層0～4 μm處的硫含量降低了67%， 且脫硫的DGTR/SBR復合材料的拉伸強度和伸長率分別顯著提高了11.6%和23.5%。

Dinamarca等[39]研究了天然和合成表面活性劑對脫硫菌株紅球菌IGTS8脫硫的影響， 分別測定添加生物表面活性劑（通過對菌株MM1A2H的培養(yǎng)物進行凍干得到的）和添加合成表面活性劑（吐溫80）組分的菌株脫硫活性。 結(jié)果表明，在催化介質(zhì)中添加這兩種表面活性劑均可以提高DBT和粗柴油的脫硫率；吐溫80通過降低界面張力提高了顆粒的遷移率，生物表面活性劑通過形成膠束而增加了硫化底物的溶解度。 但與無毒、可降解的生物表面活性劑相比，合成表面活性劑因其具有一定的毒性而稍降低了脫硫菌株的活性。

Jaykumar等[40]使用Haldane動力學模型，研究了超聲處理增強生物脫硫作用的機理。 結(jié)果表明，超聲和空化產(chǎn)生的微湍流增強了DBT（模型硫化合物）在有機/水相間的傳輸以及底物和產(chǎn)物跨細胞壁的轉(zhuǎn)運，從而提高了反應速率，且生物脫硫的總米氏常數(shù)（Km）和抑制常數(shù)（Ki）不受超聲處理的影響；研究還表明， 瞬時空化產(chǎn)生的自由基將DBT氧化為DBT-亞砜和DBT-砜（“4S”代謝途徑的中間產(chǎn)物）也有助于增強生物脫硫作用。

Yi等[41]以DBT作為模型硫化合物，研究了超聲預氧化（UPO）對生物脫硫的影響。結(jié)果顯示，在BDS工藝之前使用UPO可得到以下結(jié)果：（1）UPO/BDS系統(tǒng)中的2-羥基聯(lián)苯（2-HBP）的濃度快速增加；（2）超聲通過將DBT氧化為DBT-砜而在較短時間內(nèi)除去硫，從而將生物脫硫的“4S途徑”從4步縮短為2步，提高了反應速率以及酶-底物間的親和力，且降低了底物對整個BDS過程的抑制作用。 表明在BDS工藝之前使用UPO可以顯著提高生物脫硫效率。

Tang等[42]研究了超聲對微生物脫除船用油MFO 380中硫的影響。 結(jié)果顯示，先經(jīng)超聲波預處理再進行生物脫硫，船用燃油中的硫含量明顯降低；還表明超聲輻照時間、超聲波幅度、生物催化劑的初始濃度以及油相與水相的比例在BDS工藝中也起著重要作用。

Igor等[43]研究了通過添加共底物來提高惡臭假單胞菌CECT5279對DBT的脫除能力。 結(jié)果表明，添加短鏈有機酸（如乙酸，檸檬酸和琥珀酸），能提高細胞內(nèi)ATP和NADH的濃度以及“4S途徑”的所有反應速率。 在分批進料操作中，在共底物濃度為1.5%的情況下使用乙酸可以得到最佳結(jié)果。

Fatemeh等[44]提出了生物脫硫與電動動力學結(jié)合， 通過利用電流來輔助紅球菌PTCC1767（R.erythropolis）和枯草芽孢桿菌DSMZ 3256（B. subtilis）降解模型油（正十六烷與DBT的混合物），研究了電流密度對DBT轉(zhuǎn)化率和脫硫收率的影響。結(jié)果表明，電流的加入顯著減少了生物脫硫時間，提高了生物脫硫效率。

Ye等[45]研究了L-半胱氨酸對煤表面和生物脫硫的影響，發(fā)現(xiàn)L-半胱氨酸的添加明顯提高了生物脫硫效率，L-半胱氨酸通過氨基、 羧基和巰基吸附在煤表面和黃鐵礦上， 導致形成具有界面-SH基的半胱氨酸-鐵配合物，從而促進了硫向脫硫微生物的轉(zhuǎn)移。 當L-半胱氨酸的添加劑量為1.6 g/L時， 效果最佳，去除了85.83%的無機硫。

4 結(jié)語與展望

生物脫硫技術(shù)是一項環(huán)境友好且可與其他脫硫工藝結(jié)合互補的極具發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，在其應用方面也有一定的研究，但仍存在以下難題：生物脫硫總速率受傳質(zhì)以及酶促反應緩慢的動力學限制；微生物-油-水混合物的分離過程包括生物催化劑的分離和油/水乳液的分離，增加了操作成本。 目前已嘗試使用超聲或通過添加相轉(zhuǎn)移劑來增強生物脫硫動力學，以克服傳質(zhì)及動力學限制；構(gòu)建許多重組細菌，如假單胞菌菌株，以解決生物脫硫過程的主要瓶頸，即Dsz操縱子的表達、Dsz酶的活性、Dsz途徑的逆向抑制、對有機溶劑和金屬的耐受性等。

但要實現(xiàn)BDS的大規(guī)模工業(yè)應用， 充分發(fā)揮BDS在能源利用和環(huán)境保護方面的作用， 還需設計出具有更高催化效率、更寬底物范圍且不易受“4S”中間體抑制的Dsz酶來促進含硫化合物的生物降解或轉(zhuǎn)化； 并開發(fā)出具有更強的耐熱性和溶劑耐受性、更高的硫底物吸收率以及更長壽命的生物催化劑；同時將遺傳和代謝水平的研究成果充分應用于現(xiàn)有工藝的動力學建模、雙相系統(tǒng)的放大，以提高傳質(zhì)速率。